混凝土拱桥整体数模分析

王长辉 闫光飞

【摘要】：通过对混凝土拱桥整体进行有限元建模计算，分析混凝土拱桥在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的抗压应力，从中分析比较得出混凝土拱桥的主要抗压部位，对类似的混凝土拱桥的设计具有指导意义。

【关键词】： 混凝土拱桥、数模分析、抗压

一、引言

随着我国经济的发展和交通量的加大，桥梁工程在我国的发展与日俱进，而拱桥作为我国最常用的一种桥梁形式，其数量也越来越多，据不完全统计，我国的公路桥梁中7%为拱桥。拱桥主要由拱肋、横向连接、吊杆。桥面系等组成。以承受轴向压力为主的拱圈或拱肋作为主要承重结构的桥梁，拱结构由拱圈及其支座组成。拱桥可以用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造。大跨度的拱桥则用钢筋混凝土或钢材建造，以承受发生的力矩。下面以实际的工程实例进行数模分析。

二、工程概况

本工程为先锋路跨越黄河总干渠的重要节点，桥位位于现状先锋桥北侧，桥梁中心线距离现状先锋桥北侧边线38m。

桥梁修筑起点桩号为K1+944.090，终点桩号为K2+137.910，全长193.82m。桥梁共5跨，其中0～1#墩和4～5#墩为混凝土箱梁引桥，1～4#墩为混凝土箱梁引桥，1～4#墩为主桥。

具体跨径布置为：主桥跨径布置为25+100+25m，引桥跨径20m。主桥桥面宽度：2.3m人行道+3.5m拱索区+4.5m非机动车道+0.5m防撞护栏+11.5m机动车道+0.5m防撞护栏+11.5m机动车道+0.5m防撞护栏+4.5m非机动车道+3.5m拱索区+2.3m人行道=45.1m；银翘桥面宽度：2.3m人行道+4.5m非机动车道+0.5m防撞护栏+11.5m机动车道+0.5m防撞护栏+11.5m机动车道+0.5m防撞护栏+4.5m非机动车道+2.3m人行道=38.1m。

三、主要结构特性

上部结构主要分为桥面系和拱肋两个部分，两者采用吊杆连接，在拱肋两端张拉用于平衡水平力的系杆。中跨拱肋采用钢结构，边跨拱肋采用混凝土结构，桥面系为钢-混凝土组合结构。

（1）钢-混凝土组合桥面系

主桥采用三跨布置，中跨桥面系采用钢结构横梁加桥面板的形式，边跨采用钢结构纵梁加桥面板形式。

（2）拱肋

拱肋分四部分：中跨拱肋、边跨拱肋、拱顶联系、拱肋装饰。

中跨拱肋为钢结构构件，高33.1m，其中桥面以上20m，矢跨比为1：3，在横桥向倾斜25°。拱肋采用变截面倒梯形截面，在拱顶部分，截面顶部宽2m，底部宽1.5m，高1.5m；在拱脚部分，截面顶部宽2m，底部宽1.17m，高2.5m。

边跨拱肋采用钢筋混凝土构件，拱肋截面采用平行四边形，宽度1.8m，拱顶高1.7m，拱底高2.1m。为与中拱钢结构保持景观协调性，边拱外包钢板。

拱顶联系采用钢结构材料，内部在拱间做风撑，外部外包造型，形成蒙古包的金顶效果。

拱肋装饰部分位于主墩附近，在景观上作为主拱到橋面的延续，该结构上端与拱肋焊接，下端与桥面可相对滑动。

（3）吊杆

吊杆采用钢绞线整束挤压吊杆，间距4m，全桥共设置40根。吊杆上吊点采用插耳式构造，下吊点采用整束挤压锚。

（4）系杆

系杆采用整束可调可换系杆，在边拱顶部对拉。

四、计算模型

本次计算的内力组合如下：

（1）承载能力极限状态内力组合

组合I：基本组合：

（2）正常使用极限状态内力组合

组合I：长期效应组合：

组合II：短期效应组合：

计算中对全桥进行有限元建模，考虑成桥状态下的全桥各部分的受力状态。采用有限元软件Midas/Civil进行建模分析，全桥采用梁单元、板单元和实体单元进行模拟，具体分析模型参见图1。

五、分析结果

通过进行数模分析，可以得出在成桥状态下，全桥各部分的拉、压应力和部分剪应力值，具体见表1。

从表1中可知，对于整个拱桥而言，拉、压应力最大的地方在拱桥的钢-混凝土组合桥面系处，达到303MPa，超过了设计应力值。并且拱桥的主拱肋的抗剪能力不足，不能满足规范要求。

六、结论

依托于Midas/Civil的数模有限元计算，由建模结果可知，对于此拱桥而言，拱桥的钢-混凝土组合桥面系是整个桥梁的受拉压应力最大的区域，而且拱桥的主拱肋抗剪能力也不能满足规范要求。因此，如果在进行桥梁设计时不注重拱桥的桥面系和主拱肋设计，则桥面系和主拱肋的抗拉压能力和抗剪能力很有可能不能满足规范的要求，使得后续设计必须进行修改。本文对于此拱桥给出的解决方案是：模型中桥面系和主拱肋的局部强度略显不足，针对此部分的局部杆件进行加强。

由于桥梁结构复杂，模型只对主要结构进行了精细化的模拟，和实际情况有一定的差距，但是针对整个桥梁，此计算结果对于拱桥的设计有一定的指导作用。

参考文献：

[1]. 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]. 姚玲森.桥梁工程（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2008.